工頻通信裝置的研制

配電網(wǎng)雙向工頻通信裝置的研制一、前言電力網(wǎng)是規(guī)模龐大的能源供應有線網(wǎng)絡，利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)作為信道，通過電力線對連接在電網(wǎng)上的設備設施進行監(jiān)測、控制和抄錄傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、信息交換和自動控制，已經(jīng)成為電網(wǎng)自動化的迫切需要。由于電力線的主要功能是傳送50Hz工頻電能波形，有別于光纖、同軸電纜、雙絞線等專用的通信媒質(zhì)，不能兼顧數(shù)據(jù)通信的技術(shù)要求。特別是低壓電力線，其環(huán)境是一種惡劣的信道環(huán)境，線上存在大量噪聲，負載多，配置情況復雜，信號衰減特性和干擾特性異常復雜，而且隨機性、時變性大。因此通過電力線來可靠地傳輸數(shù)據(jù)，遙控監(jiān)測遠端設備，技術(shù)難度很大。目前，電力線載波通信由于電網(wǎng)特性參數(shù)的隨機多變性、噪聲干擾和負載衰減等因素，效果并不理想，特別是在電網(wǎng)用電高峰期，負荷較大的時候，有效通信信號完全被噪音信號所淹沒，被負載吸收殆盡，無法進行正常的通信。因此如何克服電力線的特性參數(shù)隨機多變性、噪聲干擾和負荷衰減等因素的影響，實現(xiàn)高可靠性遠距離的數(shù)據(jù)通信，為配電網(wǎng)自動化提供可靠的通信手段，成為一項具有十分挑戰(zhàn)性的課題。雙向工頻自動通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem，簡稱TWACS),是近年來為了克服上述問題而提出來的一種基于電力配電網(wǎng)絡的新型通信技術(shù)。TWACS的信號調(diào)制原理是采用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，其核心思想是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于雙向工頻自動通信調(diào)制信號頻率范圍一般在200hz?600hz之間。因此能夠直接跨變壓器臺區(qū)實現(xiàn)雙方的直接通信而不需要中繼環(huán)節(jié)，沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。通信信號在遠距離傳輸過程中，不會因線路阻抗的影響而產(chǎn)生太大的衰減，這是載波方法所無法比擬的。TWACS通信不需要改造現(xiàn)有的電力配電網(wǎng)絡，無需增加中繼環(huán)節(jié)，可以直接進行跨變壓器臺區(qū)通信，這種通信方式具有低成本、信號調(diào)制功率小、抗干擾能力強、信號衰減小、傳輸距離遠、所需設備少的特點。適合于傳輸速率要求不高的遠距離監(jiān)測控制、自動抄錄傳輸數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)自動化等場合，可應用于集中抄表、無功補償投切自動控制、遠程負荷控制管理、電力設備監(jiān)測管理等方面。具有廣泛的應用前景和很高的實用價值。二、項目研究的材料與方法雙向工頻電力通信系統(tǒng)主要以配電網(wǎng)絡(220V和380V線路)為通信介質(zhì)，使用50Hz作為輸入輸出信號的載波頻率通道，利用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法，形成過零點附近電網(wǎng)電壓和電流波形的微弱畸變來攜帶信息，實現(xiàn)數(shù)字雙向通信。由于調(diào)制信號頻率很低，因此能夠直接臺區(qū)變壓器下的通信，甚至能跨變壓器臺區(qū)實現(xiàn)信號的遠距離傳輸，不需改造現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡和增加中繼環(huán)節(jié)，具有抗干擾能力強、可靠性高、信號衰減小、傳輸距離遠等特點，受線路阻抗、負荷或結(jié)構(gòu)變化的影響小。適合于對傳輸速率要求不高的集中抄表、無功補償投切控制、負荷控制管理、電力設備監(jiān)測管理等應用領域。按照配電網(wǎng)應用的實際情況，雙向工頻電力通信系統(tǒng)可以分成跨變壓器臺區(qū)通信和不跨變壓器臺區(qū)通信兩大類型。本項目的技術(shù)解決方案是：雙向工頻自動通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem，簡稱TWACS),是近年來為了克服上述問題而提出來的一種基于電力配電網(wǎng)絡的新型通信技術(shù)。TWACS的信號調(diào)制原理是采用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，其核心思想是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于雙向工頻自動通信調(diào)制信號頻率范圍一般在200hz~600hz之間。因此能夠直接跨變壓器臺區(qū)實現(xiàn)雙方的直接通信而不需要中繼環(huán)節(jié)，沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。通信信號在遠距離傳輸過程中，不會因線路阻抗的影響而產(chǎn)生太大的衰減，這是載波方法所無法比擬的。TWACS通信不需要改造現(xiàn)有的電力配電網(wǎng)絡，無需增加中繼環(huán)節(jié)，可以直接進行跨變壓器臺區(qū)通信，這種通信方式具有低成本、信號調(diào)制功率小、抗干擾能力強、信號衰減小、傳輸距離遠、所需設備少的特點。適合于傳輸速率要求不高的遠距離監(jiān)測控制、自動抄錄傳輸數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)自動化等場合，可應用于集中抄表、無功補償投切自動控制、遠程負荷控制管理、電力設備監(jiān)測管理等方面。三、項目研究過程1、系統(tǒng)組成及基本原理雙向工頻通信系統(tǒng)的通信區(qū)域均在配電變壓器低壓一側(cè)，系統(tǒng)由位于配電變壓器低壓一側(cè)的主機及位于用戶受控端的從機模塊組成，主機和從機模塊間采用半雙工通信模式。主機到從機模塊（下行信號）：調(diào)制信號為微弱畸變電壓信號。由直接并聯(lián)在配電變壓器低壓側(cè)的主機可控硅調(diào)制電路進行電壓過零調(diào)制產(chǎn)生瞬時電流脈沖，通過配變短路阻抗的效應，產(chǎn)生一微弱畸變電壓信號疊加在220V電壓上，信號隨電壓基波傳輸。用戶數(shù)據(jù)采集模塊通過檢測電壓基波的微小畸變解碼，解析主機傳送過來的信息，完成信息的接收。從機模塊到主機（上行信號）：調(diào)制信號仍為微弱畸變電壓信號,與下行信號調(diào)制完全相同。由直接并聯(lián)在配電變壓器低壓側(cè)的用戶采集模塊可控硅調(diào)制電路進行電壓過零調(diào)制產(chǎn)生瞬時電流脈沖，由于配變短路阻抗效應，產(chǎn)生一微弱畸變電壓信號疊加在220V電壓上，信號隨電壓基波傳輸，形成微弱畸變上行電壓信號。主機通過通過檢測電壓基波的微小畸變解碼，將該信號采集識別，完成信息的接收。系統(tǒng)工作原理見圖1。緝1臺區(qū)變壓器雙向工頻通信.系統(tǒng)原理圖2、信號的調(diào)制方法與耦合方式下行信號：下行信號的等效調(diào)制電路如圖2所示。圖中，LC、RC為調(diào)制電路參數(shù)。輸出信號的調(diào)制工作在主機端完成,由于主機設置在配變低壓側(cè),所以,調(diào)制電路直接并聯(lián)接在配變低壓端。圖2下行信號等效調(diào)制電路圖下行信號調(diào)制方法是：當主機的控制系統(tǒng)跟蹤檢測電網(wǎng)電壓基波到達過零點前約30°時，通過控制電路發(fā)送觸發(fā)脈沖導通可控硅調(diào)制電路，產(chǎn)生瞬間脈沖電流△，，由于配電變壓器短路阻抗LK、Rk的阻抗效應，該電流在配電變壓器形成了下行電壓調(diào)制信號emod。，emod與電網(wǎng)電壓基波的疊加使其在過零點前30°附近產(chǎn)生幅值畸變，當電流Ai,降到零時可控硅自動關(guān)斷，從而完成一次調(diào)制過程。根據(jù)配電變壓器的短路阻抗參數(shù)LK、Rk,可以通過調(diào)整調(diào)制電路10、RC的值得到所要求的調(diào)制信號強度。由于過零調(diào)制信號的頻率范圍為工頻的3~7倍左右，因此畸變電壓信號隨電壓基波沿低壓電網(wǎng)向遠方傳輸，為從機模塊所接收。下行信號調(diào)制過程的電壓電流波形變化情況如圖3所示。其中，產(chǎn)生畸變的電壓電流信號是很微小的，為了便于觀察，圖3將其畸變波形強度加以夸大。圖3(a)為電流波形示意圖，I為電網(wǎng)電流波形，Ai為瞬間調(diào)制脈沖電流。emod為生成的下行電壓調(diào)制信號。AT為調(diào)制時間。圖3（b）為電壓波形示意圖，U為電網(wǎng)電壓波形，V’和V"為疊加下行電壓調(diào)制信號后電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生的微小畸變。At1為可控硅在電壓過零點前30°附近的導通時間、At2為可控硅關(guān)斷后調(diào)制信號衰減的時間。圖10下行信號調(diào)制電廄電常馥強示意圖點圖我們把下行電壓基波是否攜帶畸變信號作為信息傳輸?shù)囊环N方法。為了提高傳輸效率，本項目擬采用曼徹斯特編碼表示方式，每相鄰兩個基波周期有變化（一個有調(diào)制信號，另一個沒有調(diào)制信號）表示“1",無變化（兩個都攜帶調(diào)制信號或兩個都沒有調(diào)制信號）表示“0"。這樣，當接收信號時，主要檢測判斷當前電壓波形與前一個周期的波形相比是否有變化，則可確定傳送的是1或0。比原來的編碼規(guī)則傳輸效率提高了1倍。如圖4所示。

圖4下行信號表示方式上行信號：上行信號與下行信號調(diào)制一樣，采用電壓信號調(diào)制方式。且由于主從機模塊間采用半雙工通信模式，所以上下行信號之間不會造成互相干擾。上行信號的調(diào)制工作由從機模塊可控硅調(diào)制電路進行電壓過零調(diào)制完成。上行信號調(diào)制方法與主機的下行信號調(diào)制方法完全相同。調(diào)制的信號也是微弱畸變電壓信號。調(diào)制過程的電壓電流波形變化情況與下行信號調(diào)制方法完全一樣。采用的編碼表示方式也完全相同，也是曼徹斯特編碼表示方式。這里不再重復。2、雙向工頻通信裝置基本結(jié)構(gòu)雙向工頻通信系統(tǒng)的通信區(qū)域均在配電變壓器低壓一側(cè)，系統(tǒng)裝置由主從機模塊組成。主機安裝配電變壓器低壓一側(cè)，從機模塊安裝在配電變壓器低壓側(cè)提供數(shù)據(jù)收發(fā)的用戶表計裝置接口位置。主機功能一一參數(shù)設置、電壓過零檢測、下行信號調(diào)制、上行信號采集解碼、與上位計算機或GPRS等連接、測試、自診斷、較時和擴展功能。

采集模塊功能——下行信號采集解碼、子站命令接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、上行信號調(diào)制、信道測試、預置、停電數(shù)據(jù)保存。和485/232接口的用戶設備和電表通訊、和掌上電腦通訊、停電控制、在線程序更新。3、主機結(jié)構(gòu)可控硅保護電路圖5主機裝置結(jié)構(gòu)示意圖上行信號入站預處理電路A/D采樣電路可控硅保護電路圖5主機裝置結(jié)構(gòu)示意圖上行信號入站預處理電路A/D采樣電路數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲（1）、單片機控制系統(tǒng)采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片為核心組成單片機控制系統(tǒng)，完成裝置進行通信時的全部控制操作和信號檢測分析功能。（2）、下行信號可控硅調(diào)制電路包括過零脈沖驅(qū)動電路單元和可控硅開關(guān)電路單元及相關(guān)的保護電路等，主要功能是當要發(fā)送下行信號時，由單片機控制系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)電壓，發(fā)出指令控制過零脈沖驅(qū)動電路在電壓過零點附近產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，驅(qū)動可控硅開關(guān)電路單元導通和斷開，調(diào)制出代表一個信號位碼的瞬時電流脈沖，生成一個微小畸變的電壓信號，直接耦合到配變的220V上。（3）上行信號采集解調(diào)電路包括電壓互感器、信號預處理電路單元、以AD1674芯片為核心的12位A/D高速采樣電路單元、信號處理單元等。主要功能是電壓互感器先將220V電壓信號降壓到適合電子線路接收的12V模擬電壓信號。然后，在單片機控制系統(tǒng)指令控制下，通過預處理電路單元將上行電壓信號相鄰波形進行對比預處理，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換電路將含有畸變信號的電壓波形信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換高速采樣處理后送入單片機系統(tǒng)中，經(jīng)過采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)編寫的單片機控制軟件進行去噪濾波和分析處理，確認是否含有用戶采集模塊的上行信號傳送過來的代表一個位碼的畸變信號,檢測出來的數(shù)字信號再通過糾錯控制編碼通信方式組合成為信息碼序列，完成信息碼的檢測接收。RS232/485接口電路標準數(shù)據(jù)接口電路。提供與外接上位計算機設備進行數(shù)據(jù)交換的接口電路。軟件控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存和輸入/輸出模塊——提供接收數(shù)據(jù)和待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存處理和與外接設備交換功能，通過RS232/485標準數(shù)據(jù)接口與外接設備交換輸入輸出數(shù)據(jù)。當輸出數(shù)據(jù)時，控制接口電路按照RS232/485通信規(guī)約將片內(nèi)RAM或FLASH輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域的待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送到外接設備；當輸入數(shù)據(jù)時，控制接口電路按照RS232/485通信規(guī)約將外接設備的數(shù)據(jù)讀入存儲在片內(nèi)RAM或FLASH的輸入數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。信號調(diào)制控制模塊一一讀入片內(nèi)RAM或FLASH的發(fā)送數(shù)據(jù)暫存區(qū)域的待發(fā)送位碼。分析判斷電壓波形數(shù)據(jù)是否在過零點附近，當條件滿足時，控制發(fā)出觸發(fā)脈沖，驅(qū)動可控硅調(diào)制電路，調(diào)制產(chǎn)生出代表一個信號位碼的瞬時電流脈沖到電力網(wǎng)上。信號解調(diào)采樣模塊—-發(fā)出控制電平控制12位A/D轉(zhuǎn)換芯片完成電壓波形數(shù)據(jù)的采樣，然后對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、小波變換分析等，確認是否含有遠端傳送過來的代表一個位碼的畸變信號，存入片內(nèi)RAM或FLASH的接收數(shù)據(jù)暫存區(qū)域。接收數(shù)據(jù)處理模塊一一將片內(nèi)RAM或FLASH的接收數(shù)據(jù)暫存區(qū)域的數(shù)據(jù)按一定的幀結(jié)構(gòu)串接，然后按BCH差錯控制編碼方式自動糾錯。產(chǎn)生一幀完整的接收數(shù)據(jù)送入片內(nèi)RAM或FLASH輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。若誤碼率超過規(guī)定個數(shù)，則該幀數(shù)據(jù)接收失敗。產(chǎn)生重新發(fā)送中

斷，將重新發(fā)送指令發(fā)送出去，并進入重新接收該幀數(shù)據(jù)的狀態(tài)。4、從機模塊結(jié)構(gòu)圖5從機模塊裝置結(jié)構(gòu)示意圖預處理電路人諫樣電路數(shù)據(jù)處理可控硅保護電路下行信號圖5從機模塊裝置結(jié)構(gòu)示意圖預處理電路人諫樣電路數(shù)據(jù)處理可控硅保護電路下行信號數(shù)據(jù)存儲（1）、單片機控制系統(tǒng)采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片為核心組成單片機控制系統(tǒng)，完成裝置進行通信時的全部控制操作和信號檢測分析功能。（2）、上行信號可控硅調(diào)制電路包括過零脈沖驅(qū)動電路單元和可控硅開關(guān)電路單元及相關(guān)的保護電路等，主要功能是當要發(fā)送上行信號時，由單片機控制系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)電壓，發(fā)出指令控制過零脈沖驅(qū)動電路在電壓過零點附近產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，驅(qū)動可控硅開關(guān)電路單元導通和斷開，調(diào)制出代表一個信號位碼的瞬時電流脈沖，生成一個微小畸變的電壓信號，耦合到配變的220V線路上。（3）下行信號采集解調(diào)電路包括電壓互感器、信號預處理電路單元、以AD1674芯片為核心的12位A/D高速采樣電路單元、信號處理單元等。主要功能是電壓模擬信號降壓變壓器先將220V電壓信號降壓到適合電子線路接收的12V模擬電壓信號。然后，在單片機控制系統(tǒng)指令控制下，通過預處理電路單元將下行電壓信號相鄰波形進行對比預處理，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換電路將含有畸變信號的電壓波形信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換高速采樣處理后送入單片機系統(tǒng)中，經(jīng)過采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)編寫的單片機控制軟件進行去噪濾波和分析處理，確認是否含有主機下行信號傳送過來的代表一個位碼的畸變信號,檢測出來的數(shù)字信號再通過糾錯控制編碼通信方式組合成為信息碼序列，完成信息碼的檢測接收。（4）RS232/485接口電路標準數(shù)據(jù)接口電路。提供